水電廠集控監(jiān)控系統(tǒng)及其應用研究

李 欣

（南京南瑞水利水電科技有限公司，江蘇 南京 211106）

1 水電廠集控監(jiān)控系統(tǒng)概述

集控監(jiān)控系統(tǒng)主要指利用現(xiàn)代先進計算機系統(tǒng)、網(wǎng)絡技術、無線通信技術、傳感器以及告警設備，對水電廠各生產(chǎn)、管理環(huán)節(jié)所有電氣設備進行運行狀態(tài)的集中化遠程監(jiān)控[1]。該系統(tǒng)可以對不同生產(chǎn)商的通信協(xié)議予以規(guī)范化管理，將不同類型的信息匯集在一起，對跨廠商設備進行統(tǒng)一控制和集中監(jiān)測，從而實現(xiàn)對設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的測量、參數(shù)調(diào)節(jié)與故障預警。

使用集控監(jiān)控系統(tǒng)的根本目標在于提高水電廠設備運行管理效率與質(zhì)量，通過集控監(jiān)控系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)設備運行中所存在的安全故障隱患，由專職人員進行操作記錄，再將具體記錄傳輸至技術部門，由專業(yè)技術人員進行設備故障維修。通過集控監(jiān)控可以及時發(fā)現(xiàn)設備運行過程中所存在的異常情況，并進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收集與發(fā)送，是水電廠設備運行安全有效管理的重要保證。相關設備數(shù)據(jù)又分為性能數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)以及告警解除數(shù)據(jù)，其中告警數(shù)據(jù)是集中監(jiān)控系統(tǒng)最主要的監(jiān)控對象。如果發(fā)現(xiàn)存在故障問題或安全隱患，必須及時進行處理，防止引發(fā)重大問題而影響水電廠其他設備的正常運行[2]。

由于水電廠的生產(chǎn)環(huán)境較為復雜，容易受到多種因素的影響而發(fā)生數(shù)據(jù)信息丟失的問題，因此如何提高集控監(jiān)控系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性一直是水電廠較為重視的內(nèi)容。目前，大部分水電廠均采用為提高網(wǎng)絡硬件的安全性和確保數(shù)據(jù)信息的完整性所設計的數(shù)據(jù)保護機制[3]。

2 水電廠集控監(jiān)控系統(tǒng)結構

我國水電廠在進行集控監(jiān)控過程中，主要采用開放型分層分布式結構，主要分為非控制層、查詢層、控制層以及接入層。各層面集控系統(tǒng)相對應的局域網(wǎng)依次為生產(chǎn)控制網(wǎng)、生產(chǎn)非控制網(wǎng)、生產(chǎn)信息網(wǎng)以及接入網(wǎng)。目前，我國相關電力部門針對各層面局域網(wǎng)安全維護都有著較為明確的規(guī)范和標準，水電廠在進行集控監(jiān)控網(wǎng)絡防護過程中，需要嚴格依據(jù)相關規(guī)定予以處理，避免產(chǎn)生安全隱患。

局域網(wǎng)是水電廠集控監(jiān)控系統(tǒng)中極為重要的組成部分，所有控制工作均需要以局域網(wǎng)為根本前提，深入了解集控監(jiān)控系統(tǒng)中的局域網(wǎng)模式，對于水電廠集控監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升有著重要意義。

生產(chǎn)非控制網(wǎng)絡的功能為連接報表工作站、診斷故障、遠程維護。集控系統(tǒng)控制網(wǎng)與非控制網(wǎng)不同，所采用的是以太雙網(wǎng)結構，可以有效提高集控監(jiān)控系統(tǒng)的抗干擾性能，避免系統(tǒng)中部分設備發(fā)生故障隱患而導致整個集控系統(tǒng)出現(xiàn)非正常運轉問題。控制層局域網(wǎng)中，歷史服務器與磁盤陣列可集中存儲集控系統(tǒng)控制范圍內(nèi)所有水電廠相關數(shù)據(jù)信息[4]。生產(chǎn)管理信息層局域網(wǎng)專門配置了千兆以太網(wǎng)交換機，主要功能是進行遠程集控監(jiān)控系統(tǒng)Web發(fā)布，與各種服務器和其他層面局域網(wǎng)連接可有效隔離各局域網(wǎng)，確保水電廠集控監(jiān)控系統(tǒng)的安全操作。接入局域網(wǎng)采用百兆以太網(wǎng)雙網(wǎng)結構，數(shù)據(jù)信息在局域網(wǎng)中傳遞的過程會設置加密認證，以確保遠程通信數(shù)據(jù)信息的安全性。以安全系統(tǒng)架構設計為例，如圖1所示。

圖1 某水電廠集控監(jiān)控系統(tǒng)安全架構

3 水電廠集控監(jiān)控系統(tǒng)應用

以四川某水電廠為例，其系統(tǒng)結構與功能設計如下文所述。

3.1 系統(tǒng)架構

3.1.1 系統(tǒng)安全分區(qū)設計

根據(jù)《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護總體方案》（國能安全〔2015〕36號），集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)主體應屬于安全Ⅰ區(qū)，Web信息發(fā)布和離線開發(fā)測試平臺部署在安全Ⅲ區(qū)。

3.1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構設計

計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用全開放的分布式結構，由網(wǎng)絡上分布的計算節(jié)點組成，包括值班人機節(jié)點、運維人機節(jié)點、應用服務節(jié)點、數(shù)據(jù)庫服務節(jié)點以及Web服務節(jié)點等，各節(jié)點采用局域網(wǎng)聯(lián)結。局域網(wǎng)按IEEE802.3z設計，采用雙星型結構的交換式以太網(wǎng)、全開放的分布式接口以及局域網(wǎng)通信規(guī)約TCP/IP，網(wǎng)絡介質(zhì)采用光纖，網(wǎng)絡傳輸速率為1 000 Mb/s。安全Ⅰ區(qū)網(wǎng)絡經(jīng)電力專用正/反向物理隔離裝置與安全Ⅲ區(qū)網(wǎng)絡連接，通過非網(wǎng)絡連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)、應用服務節(jié)點與Web服務節(jié)點、離線開發(fā)測試平臺之間的數(shù)據(jù)交換，保證生產(chǎn)控制區(qū)的安全[5]。

3.1.3 時鐘同步

部署一套北斗/GPS雙主鐘同步時鐘系統(tǒng)，作為集控中心統(tǒng)一對時信號源。對時方式支持B碼對時和網(wǎng)絡時間協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）對時等。

3.1.4 大屏展示

集控大廳安裝55英寸液晶拼接屏1套，集控監(jiān)控系統(tǒng)操作員工作站根據(jù)圖像源信號將其輸出至大屏，輸出接口采用顯示接口（Display Port，DP）或數(shù)字視頻接口（Digital Visual Interface，DVI）。

3.1.5 與電站通信

集控監(jiān)控系統(tǒng)與所轄電站監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)，主要通過兩級系統(tǒng)的通信網(wǎng)關機實現(xiàn)，內(nèi)部網(wǎng)絡相互隔離。互聯(lián)通道采用岷江公司自建調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，通信協(xié)議采用IEC 60870-5-104。初期實現(xiàn)與下莊、銅鐘、草坡以及沙牌電站的接入，預留其他上網(wǎng)電站的集控接入接口[6]。

3.2 系統(tǒng)應用軟件功能設計

3.2.1 集控監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

集控監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能包括：自動進行各梯級電站相關監(jiān)控所需信息的收集，并將各梯級電站信息予以匯總，主要涵蓋實時運行數(shù)據(jù)、實時計算數(shù)據(jù)、歷史記錄數(shù)據(jù)；針對電網(wǎng)調(diào)度機構所傳輸?shù)母魈菁夒娬菊{(diào)度計劃（水庫調(diào)度、發(fā)電控制、防洪調(diào)度等）及多種指令相關信息予以接收；對優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)所制訂各梯級電站調(diào)度計劃（水庫調(diào)度、發(fā)電控制、防洪調(diào)度等）及各項指令進行自動收集；自動進行操作員手動輸入數(shù)據(jù)信息的收集；通過數(shù)據(jù)接口方式與外部系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。未來數(shù)據(jù)交換平臺建成后，能通過數(shù)據(jù)交換平臺實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享[7]。

3.2.2 集控監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

集控監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理功能包括：針對所采集的數(shù)據(jù)信息予以有效性檢測，更新實時數(shù)據(jù)庫；進行數(shù)據(jù)存盤，保存歷史數(shù)據(jù)，更新原有各類歷史記錄數(shù)據(jù)，以確保數(shù)據(jù)連續(xù)性和完整性，可采用存儲載體進行各數(shù)據(jù)的備份；根據(jù)數(shù)據(jù)信息對比生成不同安全事故預警記錄信息，并發(fā)出語音報警等；記錄趨勢分析量；進行事件順序相關信息的記錄和匯總處理；記錄事故追憶及相關量數(shù)據(jù)；準確計算數(shù)據(jù)；統(tǒng)計并完整記錄各梯級電站主/輔設備、繼電保護與自動設備運行相關狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)、生成各梯級電站各類運行報表、各梯級電站分時電量記錄和各梯級電站有功功率、無功功率記錄，生成詳細的數(shù)據(jù)信息報表[8]。

3.3 安全運行監(jiān)視

備用集控中心操作人員可運用集控監(jiān)控系統(tǒng)人機交互接口設備，針對各設定監(jiān)控對象開展監(jiān)視工作。監(jiān)控主要設備、開關站設備、主要輔助設備以及公用設備的運行狀態(tài)與具體參數(shù)，如母線電壓、頻率、有功功率、無功功率、輸電線路潮流、有過負荷可能的線路電流、部分重要的非電量、水位以及越限報警等。狀態(tài)變化分為兩類，一類為自動狀態(tài)變化，主要是由于自動控制或保護裝置動作而發(fā)生狀態(tài)改變；另一類為受控狀態(tài)變化，主要是因計算機監(jiān)控系統(tǒng)指令執(zhí)行而引發(fā)的狀態(tài)變化。對于這兩類變化都要做到詳細記錄，且需要顯示、打印并明確區(qū)分[9]。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)應能監(jiān)視通信通道，包括交換機、路由器、光纖等，對冗余通道應能自動切換或手動切換[10]。此外，還要對閘門進行監(jiān)視，包括閘門控制系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視和閘門運行狀態(tài)監(jiān)視。監(jiān)視手段不可拘泥于單一模式，要采取多種不同方法，如屏幕顯示、語音播報等[11]。

4 結 論

隨著現(xiàn)代科技的進步和信息技術、互聯(lián)網(wǎng)技術以及大數(shù)據(jù)技術的更新，我國水電廠的監(jiān)控技術也在不斷發(fā)展，尤其是在集控監(jiān)控系統(tǒng)方面。我國水能資源分布有著區(qū)域性特點，不同地區(qū)水電基地開發(fā)與設備應用也有著不同的標準要求，加上目前經(jīng)濟效益較好的水電資源基本被開發(fā)完畢，預計未來新增水電裝機容量增速有限，這些都需要通過持續(xù)的技術優(yōu)化研究來解決。